- "Sinh khối là tổng trọng lượng của sinh vật sống trong sinh quyển hoặc số lượng sinh vật sống trên một đơn vị diện tích, thể tích vùng".
Khối lượng sinh khối trong sinh quyển ước tính là n.1014 - 2.1016 tấn.
Trong đó, riêng ở các đại dương hiện có 1,1. 109 tấn sinh khối thực vật và 2,89. 1010 tấn sinh khối động vật. Phần chủ yếu của sinh khối tập trung trên lục địa với ưu thế nghiêng về phía sinh khối thực vật.
Sinh khối của Trái Đất hiện chiếm một tỷ lệ nhỏ so với trọng lượng của toàn bộ Trái Đất và rất bé so với thạch quyển, thuỷ quyển. Tuy nhiên, trong thời gian địa chất lâu dài, từ khi xuất hiện vào khoảng 3 tỷ năm trước đây, sinh khối Trái Đất đã thực hiện một chu trình biến đổi mạnh mẽ một khối lượng lớn vật chất trên Trái Đất. Sinh khối có mặt trên hầu hết các loại đất đá trầm tích, biến chất và các khoáng sản trầm tích của Trái Đất dưới dạng vật
chất hữu cơ. Theo tính toán của của các nhà khoa học, tổng khối lượng vật chất hữu cơ trong toàn bộ các đá trầm tích là 3,8. 1015 tấn. Như vậy, sinh khối thực vật được định nghĩa: “ Sinh khối thực vật là tổng trọng lượng của thực vật trên một đơn vị diên tích hoặc diện tích vùng ”
- NDVI được tính toán dựa trên sự khác biệt phản xạ ánh sáng cận cận hồng ngoại và ánh sáng đỏ trên đối với thực vật. Do lá cây phản xạ mạnh với bức xạ cận cận hồng ngoại, trong khi chlorophyl của lá cây hấp thụ mạnh ánh sáng đỏ của bức xạ trong vùng nhìn thấy. NDVI thường được sử dụng để ước tính năng suất sơ cấp cũng như sinh khối của thực vật, cũng như giám sát rừng và cây trồng. Giá trị của NDVI (từ -1 đến 1) càng cao thể hiện hoạt động quang hợp càng mạnh.
- LAI (Leaf Area Index) là tỉ số giữa diện tích bề mặt lá của tán cây với diện tích bề mặt đất mà cây phát triển tại đó. LAI là chìa khóa cho cấu trúc đặc trưng của thảm thực vật và có mối quan hệ chặt chẽ với hoạt động quang hợp, sự bốc hơi nước, năng suất và điều kiện của thảm thực vật. LAI có thể được sử dụng để ước tính sinh khối, động thái của thảm thực vật hay dự báo mùa vụ. Chỉ số (từ 0 đến 6) càng thấp thì thảm thực vật phát triển không tốt.
- FAPAR (The Fraction of Absorbed Photosynthetically Active Radiation – FAPAR) là phần bức xạ mặt trời được hấp thụ bởi thực vật thông qua quá trình quang hợp. Do đó, FAPAR có mối quan hệ chặt chẽ với năng suất và sản lượng sơ cấp thuần. Với chỉ số này điều kiện của cây trồng có thể được đo lường. Giá trị FAPAR từ 0 đến 1 hoặc từ 0 đến 100% (Bùi Lâm Hà, 2011) [4].
- Tỷ số chỉ số thực vật RVI (ratio vegetion index) RIV = IR/R
RVI thường dùng để xác định chỉ số diện tích lá, sinh khối khô của lá và hàm lượng chất diệp lục trong lá. Vì vậy chỉ số RVI được dùng để đánh giá mức độ che phủ và phân biệt các lớp thảm thực vật khác nhau nhất là những thảm thực vật có độ che phủ cao.
2.2.2. Thành phần hóa học của cây trồng tạo nên sinh khối
Cây trồng sử dụng thức ăn từ những chất đơn giản trong không khí, đất và phân bón. Những chất này là thức ăn cần thiết và thực tế chúng là những
nguyên liệu thô để tổng hợp lên thức ăn. Thực vật giống những cơ thể khác, có những tế bào đặc trưng cho chúng và được tạo ra từ những hydratcacbon, mỡ, prôtêin và nucleoprotein. Để các tế bào hoạt động theo các chức năng cần hàng loạt enzim. Do đó thực vật đòi hỏi lượng lớn cacbon (C), oxy (O2), hydro (H2), nito (N), photpho (P), kali (K), lưu huỳnh (S), canxi (Ca), và magie (Mg) để cấu tạo nên các tế bào. Ngoài ra thực vật cũng cần một lượng nhỏ các nguyên tố như: sắt (Fe), kẽm (Zn), đồng (Cu), bo (B)… để hình thành enzim và các tế bào của chúng.
Thực vật hấp thụ từ đất những lượng khác nhau và tỷ lệ khác nhau các chất dinh dưỡng và điều này phụ thuộc vào từng loại thực vật cũng như từng thời kỳ sinh trưởng và phát triển. Nhiều nghiên cứu cho thấy các loài ngũ cốc thường hấp thu ít dinh dưỡng khoáng hơn các loài khác, nhưng lại cho năng suất chất khô lớn hơn cây trồng làm thức ăn cho gia súc; cỏ, cây họ đậu, và các cây trồng họ đậu có nhu cầu dinh dưỡng lớn hơn (Nguyễn Ngọc Nông, 1999)[10].
Thực vật đòi hỏi các chất dinh dưỡng để thực hiện ba chức năng cơ bản: hình thành chất nguyên sinh và các enzim cần cho sự sống; hình thành các mô chống đà và bảo vệ sinh chất của nó; vận chuyển các chất dinh dưỡng từ cơ quan này tới cơ quan khác.
Những mô chống đà của thực vật được cấu tạo từ xenluloza, hemixenluloza và lignin. Chất này cấu tạo nên những mô trưởng thành điển hình. Các enzim trong thực vật được tạo nên từ protein, nucleoprotein, các chất này có chứa một lượng lớn nito, photpho và một ít lưu huỳnh.
Các chất lỏng vận chuyển các chất dinh dưỡng đi đến các bộ phận của thực vật. Thực vật phát triển nhanh và mạnh khi có đủ lượng enzim và khi có một lượng chất khoáng vừa đủ. Sự đòi hỏi dinh dưỡng diễn ra cực đại ở giai đoạn còn non và sau đó giảm dần (Nguyễn Như Hà,2006) [3].
Thực vật không chỉ hút chất dinh dưỡng từ đất mà ngược lại, chúng còn thải vào đất những chất dinh dưỡng. Nước mưa rơi qua các lá cũng có thể rửa trôi một số chất dinh dưỡng, đặc biệt là kali.
Thành phần và tính chất của đất cũng ảnh hưởng đến thành phần hóa học của thực vật gieo trồng trên đất đó. Trong đa số cơ quan dinh dưỡng, chứa từ 70 – 95 % nước, còn trong hạt có 5 – 15 % là nước. Lượng nước trong hạt các cây họ hòa thảo chiếm tới 10 – 15 %, trong cây hạt dầu chiếm 5 – 10 %.
Trong rau xanh lượng nước chiếm tới 95%. Lượng chất khô trong hạt lúa có khoảng 89%, đậu đỗ 87%, củ cải đường 25%, khoai tây 22%.
Chất khô trong thực vật chủ yếu là protein và những hợp chất chứa đạm khác, chất béo, hydratcacbon, tinh bột, đường, xenluloza, chất pectin.
Lượng chứa protein, tinh bột, chất béo ở các thực vật khác nhau thì khác nhau. Trong hạt cây đậu đỗ lượng Protein lớn hơn 2 lần so với hạt của kiều mạch. Trong hạt của cây họ hòa thảo, trong củ khoai tây chứa nhiều tinh bột, trong củ cải đường, mía lại chứa nhiều đường; xenluloza có nhiều trong cây bông.
Thành phần hóa học của thực vật sống và sinh khối thực vật đã hong khô khác nhau nhiều. Trong thực vật sống thì oxi chiếm vị trí hàng đầu, khoảng 70%, ba nguyên tố O2, C, H2 chiếm đến 98,5 % khối lượng thực vật.
Thực vật đã hấp thụ CO2 trong quá trình quang hợp và H2O qua rễ tạo thành những chất hữu cơ không chứa đạm đơn giản gồm C, O, H. Khi đốt thực vật còn lại những nguyên tố tro, chúng chiếm khoảng 5% khối lượng chất khô. Những nguyên tố tro trong thực vật phụ thuộc vào những điều kiện gieo trồng và các đặc tính sinh học. Thành phần tro của các thực vật khác nhau thì khác nhau vì chúng hút những nguyên tố dinh dưỡng khác nhau.
Bằng những phương pháp thực nghiệm hiện nay cho thấy, có nguyên tố được xếp vào loại rất cần cho dinh dưỡng của thực vật và 12 nguyên tố cần thiết nhưng có điều kiện.
Những nguyên tố rất cần cho dinh dưỡng là những nguyên tố mà không có chúng, thực vật không thể kết thúc chu trình phát triển và không thể thay thế chúng bằng những nguyên tố khác. Những nguyên tố chứa trong cơ quan thực vật lớn từ vài phần nghìn đến vài phần trăm, được xếp vào các nguyên tố đa lượng. Những nguyên tố chứa trong các thực vật ở lượng rất nhỏ vài phần nghìn được xếp vào các nguyên tố vi lượng.
2.2.3. Ứng dụng Viễn thám trong chuẩn đoán sinh khối
Nhằm hỗ trợ việc tính toán sinh khối rừng một cách nhanh chóng và kịp thời, nhiều quốc gia trên thế giới đã tiến hành nghiên cứu tính toán trữ lượng sinh khối của thảm thực vật dựa trên ảnh Viễn thám như Landsat, SPOT, AVHRR NOAA, ALOS,… Có rất nhiều phương pháp ước tính sinh khối từ các ảnh vệ tinh thông qua các giá trị như hệ số bức xạ, hệ số phản xạ, chỉ số chuẩn hóa các thực vật khác nhau (The Normalized Difference Vegetation Index –NDVI), chỉ số diện tích bề mặt lá (Leaf Area Index – LAI), hệ số bức xạ của hoạt động quang hợp (The Fraction of Absorbed Photosynthetically Active Radiation – FAPAR) (Dương Văn Khảm, 2011) [6].
Các bước tiến hành ước tính sinh khối bề mặt tán rừng dựa trên các chỉ số được tiến hành theo sơ đồ sau:
Hình 2.5. Các bước tiến hành tính toán bề mặt sinh khối rừng
Ước tính sinh khối bề mặt tán rừng sử dụng ảnh vệ tinh ALOS AVNIR- 2 được thực hiện dựa vào kênh ảnh có bước sóng ở vùng cận cận hồng ngoại (kênh 4) và kênh ảnh ở vùng ánh sáng màu đỏ (kênh 3) để tại chỉ số NDVI, từ giá trị này sẽ xác định được độ che phủ của tán rừng thông qua giá trị LAI (chỉ số diện tích bề mặt lá) và đánh giá hiệu suất của hoạt động quang hợp, tức là đánh giá khả năng tạo sinh khối của rừng thông qua giá trị fAPAR – bức xạ được hấp thụ cho hoạt động quang hợp tạo sinh khối của cây.
Cho đến ngày nay, các chỉ tiêu khác nhau liên quan đến cây trồng và sinh lý của cây trồng như diện tích lá (LAI), tỷ lệ N, C, S; hàm lượng N hấp thụ, sinh khối, diệp lục đã được dự báo một cách tin cậy bằng các kỹ thuật của
Ảnh vệ tinh
Hệ số bức xạ Hệ số phát xạ
NDVI Biomass
LAI fAPAR
Viễn thám. Kỹ thuật này có đặc tính nhanh, không phá hủy cấu trúc của thực vật, chi phí thấp. Vì vậy trong mấy thập kỷ qua, kỹ thuật Viễn thám đã được sử dụng nhiều vào việc theo dõi và dự báo năng suất và sinh khối của cây trồng (Casanova, 1998) [14].
Kỹ thuật Viễn thám cho hình ảnh trong giải quang phổ hẹp (<10nm) và liên lục. Nó cung cấp một phổ liên tục cho mỗi điểm ảnh. Vì vậy dữ liệu của kỹ thuật Viễn thám được coi là nhạy cảm hơn với cây trồng (Hansen và Schjoerring, 2003) [17]. Phương pháp chung để có được dữ liệu về phản xạ của cây trồng là chuyển đổi và tính trung bình phản xạ của ánh sáng xanh da trời (Blue), ánh sáng xanh lá cây (Green), ánh sáng đỏ (Red), và vùng cận hồng ngoại gần (near-infrared) có bước sóng lần lượt là 450 – 520nm, 520 – 600nm, 630 – 690nm, 760 –790nm giống như các bước sóng của Landsat Thematic Mapper (Bausch, 1990)[13]
Phản xạ của các khoảng sóng rộng được sử dụng để tính toán các chỉ số như NDVI hoặc RVI từ đó dự đoán được các thông số thực vật cần theo dõi như: hàm lượng N trong lá, năng suất, diệp lục và đặc biệt là sinh khối tươi và khô của cây trồng.